PARbars: Günstig, leicht zu bauen Ceptometer für die kontinuierliche Messung von Lichtabnahme in Packungen
Summary
Hier stellen wir detaillierte Anweisungen vor, wie man Ceptometer in der Forschungsqualität baut und kalibriert (Lichtsensoren, die Lichtintensität über viele Sensoren integrieren, die linear entlang eines horizontalen Balkens angebracht sind).
Abstract
Die Ceptometrie ist eine Technik, mit der die Übertragung von photosynthetisch aktiver Strahlung durch ein Pflanzendach mit mehreren Lichtsensoren gemessen wird, die parallel an einem langen Balken angeschlossen sind. Die Ceptometrie wird oft verwendet, um die Eigenschaften der Überdachung und des Lichtabhörens zu ableiten, insbesondere den Blattflächenindex (LAI) und den effektiven Pflanzenflächenindex (PAIeff). Aufgrund der hohen Kosten für handelsübliche Ceptometer ist die Anzahl der zu ergreifenden Messungen oft räumlich und zeitlich begrenzt. Dies schränkt die Nützlichkeit der Ceptometrie für die Untersuchung der genetischen Variabilität im Lichtabhörspiel ein und schließt eine gründliche Analyse und Korrektur von Vorurteilen aus, die die Messungen je nach Tageszeit verzerren können. Wir haben kontinuierlich Protokollierungsceptometer (PARbars genannt) entwickelt, die für jeweils 75 US-Dollar produziert werden können und qualitativ hochwertige Daten liefern, die mit kommerziell erhältlichen Alternativen vergleichbar sind. Hier geben wir detaillierte Anweisungen, wie man PARbars baut und kalibriert, wie man sie im Feld einsetzt und wie man PAI aus gesammelten Übertragungsdaten abschätzen kann. Wir liefern repräsentative Ergebnisse aus Weizenkopien und besprechen weitere Überlegungen, die bei der Verwendung von PARbars zu beachten sind.
Introduction
Mit Ceptometern (lineare Arrays von Lichtsensoren) wird der Anteil der photosynthetisch aktiven Strahlung (PAR) gemessen, die von Pflanzenschutzmitteln abgefangen wird. Aufgrund der relativ einfachen Messung und der Einfachheit der Dateninterpretation werden Ceptometer für die landwirtschaftliche Ernteforschung weit verbreitet. Das Grundprinzip der Ceptometrie ist, dass die Übertragung von Licht auf die Basis eines Pflanzendrohstoffesvon der projizierten Lichtfläche oben abhängt. Messungen von PAR oberhalb und unterhalb des Vordachs können daher zur Abschätzung von Vordachmerkmalen wie Blattflächenindex (LAI) und effektivem Pflanzenflächenindex (PAIeff) (der neben Blättern auch Stängel, Kulme und Fortpflanzungsstrukturen enthält)1 ,2,3. Die Zuverlässigkeit der PAI-eff-Schätzungen, die aus dem, wird durch die Modellierung der Auswirkungen des StrahlBruchteils der eingehenden PAR (fb), der Blattabsorption (a) und des effektiven Baldachin-Aussterbekoeffizienten ( K ); K wiederumhängt sowohl vom Sonnenzenith-Winkel als auch von der Blattwinkelverteilung ab. Es ist eine gängige Praxis, diese Effekte zu korrigieren. Es gibt jedoch auch andere Vorurteile, die in der Vergangenheit aufgrund von methodischen und Kostenbeschränkungen nicht gebührend berücksichtigt wurden.
Vor kurzem haben wir signifikante zeitabhängige Bienenstudie bei der Messung von Reihenkulturen, wie Weizen und Gerste7, identifiziert. Diese Voreingenommenheit wird durch eine Wechselwirkung zwischen Reihenplanungsorientierung und solarem Zenitwinkel verursacht. Um diese Voreingenommenheit zu überwinden, können kontinuierlich protokolannende Ceptometer im Feld montiert werden, um die täglichen Zyklen des Abhörens von Vordach zu überwachen, und dann können tägliche Durchschnittswerte von , und PAIeff berechnet werden. Aufgrund der unerschwinglich hohen Kosten für kommerziell erhältliche Ceptometer sind kontinuierliche Messungen jedoch oft nicht möglich – oft mehrere tausend US-Dollar für ein einzelnes Instrument – und die Notwendigkeit von Messungen vieler Feldgrundstücke. Letzteres zeigt sich vor allem in der Zeit der omics, in der viele Hundert Genotypen für genomische Analysen benötigt werden, wie Genom-weite Assoziationsstudien (GWAS) und genomische Selektion (GS) (siehe Huang & Han, 20148). Wir haben erkannt, dass kostengünstige Ceptometer benötigt werden, die in großer Zahl hergestellt werden konnten und für kontinuierliche Messungen über viele Genotypen hinweg eingesetzt werden konnten.
Als Lösung haben wir einfach zu bauende, hochpräzise Ceptometer (PARbars) zu einem Preis von 75 US-Dollar pro Einheit entwickelt, der etwa eine Stunde Arbeit benötigt, um sie zu konstruieren. Die PARbars werden mit 50 Photodioden gebaut, die nur im PAR-Wellengang empfindlich sind (Wellenlängen 390 – 700 nm), mit sehr wenig Empfindlichkeit außerhalb dieses Bereichs, wodurch der Einsatz von teuren Filtern vermieden wird. Die Photodioden werden parallel über eine Länge von 1 m verbunden, um ein integriertes Differentialspannungssignal zu erzeugen, das mit einem Datenlogger aufgezeichnet werden kann. Die Schaltung ist für die Abdichtung mit Epoxid umhüllt und die Sensoren arbeiten über einen großen Temperaturbereich (-40 bis + 80 ° C), so dass die PARbars über längere Zeit im Feld eingesetzt werden können. Mit Ausnahme der Photodioden und eines niedrigtemperaturarmen Koeffizienten können alle Teile, die für den Bau einer PARbar benötigt werden, in einem Baumarkt erworben werden. Eine vollständige Liste der benötigten Teile und Werkzeuge finden Sie in der Materialliste. Hier stellen wir detaillierte Anweisungen vor, wie man PARbars für die Schätzung von PAIbaut und verwendet und repräsentative Ergebnisse aus Weizenüberdachungen vorlegt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die erfolgreiche Umsetzung des hier skizzierten Protokolls für den Bau von Ceptometern (PARbars) hängt am sensibel von zwei Schritten ab: 1,5 (Klebephotodioden vorhanden) und 1.6 (Lötphotodioden an den Kupferdraht). Schritt 1.5 ist fehleranfällig, indem er die Photodioden in Bezug auf ihre innere Polarität falsch ausrichtet. Für die von uns verwendeten und für uns empfohlenen Photodioden wird die Polarität anhand der beiden elektrischen Steckertabletts auf der Diode mit deutlich unterschiedlichen Größen identifiziert. Vor dem Auftragen von Cyanoacrylat-Klebstoff und dem Löten der Photodioden ist es daher dringend ratsam, zu überprüfen, ob alle Dioden mit den großen Steckertabellen, die in eine Richtung und die kleinen Tabs in die andere Richtung gerichtet sind, platziert werden. Schritt 1.6 ist anfällig für Fehler wegen schlechter Löttechnik und Bildung einer kalten gelöteten Kreuzung. Dies kann durch den Einsatz von dünnem Lötfluss mit einem Flussstift unmittelbar vor dem Löten vermieden werden und dafür sorgen, dass sowohl der Draht als auch der Fotodioden-Tab mit der Lötspitze (bei ca. 350-400 oC) erhitzt werden, bevor das Löten selbst auf die der Knotenpunkt. Probleme mit elektrischen Verbindungen in einer PARbar manifestieren sich typischerweise in Form einer Kalibrierungshang, die sich deutlich von denen anderer PARbar unterscheidet. Solche Probleme können frühzeitig durch das Testen jeder elektrischen Verbindung während der Konstruktion (wie in Schritt 1.6 beschrieben) und wieder nach dem Löten aller Verbindungen, aber bevor sie in Epoxid eingefasst wurden (Schritt 1,9), frühzeitig erwischt werden. Eine dritte potentielle Fehlerquelle ergibt sich aus dem Versäumnis, einen Präzisionswiderstand mit niedrigem Temperatur-Koeffizienten zu verwenden, dessen Widerstand gegen die Temperatur unempfindlich ist; Die Verwendung eines gewöhnlichen Widerstands wird den Fehler verursachen, da der Widerstand, und damit die Spannungsleistung pro Einheit von Licht von den Dioden absorbiert, ändert sich mit der Umgebungstemperatur. Die letzte große Fehlerquelle ist nicht nur für PARbars, sondern gilt für alle Ceptometrie-Messungen: Die Rückschlüsse auf den effektiven Pflanzenflächenindex oder Blattflächenindex aus der Lichteinfallung hängt von den Merkmalen der Überdachungsstruktur ab (insbesondere die Bedeutung der Blattabsorption und Blattwinkelverteilung; A und c in den Eqns 1 und 2), die während der Pflanzenentwicklung und zwischen Genotypen variieren können.
Es gibt zwei Hauptbereiche, in denen das hier beschriebene Protokoll geändert oder angepasst werden könnte. Erstens wurden die hier präsentierten PARbars speziell für den Einsatz in Reihenfrüchten wie Weizen und Gerste entwickelt, aber das Design konnte leicht für andere Anwendungen modifiziert werden. Zum Beispiel könnte ein Shunt-Widerstand mit größerem Widerstand verwendet werden, um den Gewinn (mV-Ausgang pro Einheit PAR) in niedrigeren PAR-Bereichen zu erhöhen. Für die Vielseitigkeit könnte ein Niedertemperatur-koeffizientes Präzisionspotenzial (variabler Widerstand) verwendet werden, um den Empfindlichkeitsbereich der PARbar je nach Bedarf zu verändern oder kleine Anpassungen vorzunehmen, um zu gewinnen, so dass jeder von vielen PARbars identische Kalibrierstänge haben. Zweitens könnten die Photodioden auch einzeln als Quantensensoren genutzt werden, so dass der Anwender sowohl räumliche als auch zeitliche Variationen innerhalb einzelner Überdachungen zu deutlich geringeren Kosten als möglich mit handelsüblichen Quantensensoren erfassen kann. Dies könnte angesichts des wachsenden Interesses an dynamischer Photosynthese unter schwankenden Lichtverhältnissen 12 besonders wertvoll sein. Drittens: Obwohl wir einen konventionellen (und teuren) Datenlogger für die in dieser Studie präsentierten Daten verwendet haben, gibt es stattdessen die Möglichkeit, Datenlogger mit Hilfe von der Stange zu erstellen. Begrenzte Budgetbudget. Die Popularität sogenannter Maker-Plattformen, wie Arduino und Raspberry Pi, bieten in diesem Bereich große Versprechungen; Als Starter für die weitere Entwicklung empfehlen wir das Open-Source-Arve Pearl-Projekt13 . Cave Pearl Datenlogger wurden für die Umweltüberwachung von Höhlenökosystemen entwickelt, so dass Robustheit und geringer Strombedarf die wichtigsten Überlegungen in ihrem Design waren. Ähnliche Überlegungen sind für die Umsetzung von Pflanzenphänotypisierungsarbeiten relevant. Cave Pearl Datalogger-Komponenten sind preiswert (weniger als 50 US-Dollar pro Einheit) und klein, so dass sie direkt in PARbars integriert werden können.
Die Anwendung der hier beschriebenen PARbars steht vor drei wesentlichen Einschränkungen. Erstens wird die Schlussfolgerung des Pflanzenflächenindex oder des Blattflächenindex aus der gemessenen Lichteinfallung durch starke zeitabhängige Vorurteile, insbesondere beiReihenkulturen 7, behindert. Dies kann durch wiederholte oder kontinuierliche Messungen über einen Tag überwunden werden. Zweitens haben preiswerte Photodioden keinen Spektralausstoß, der genau proportional zum Photonenfluss ist (die Variable, die das größte Interesse an Photosyntheseforschung hat). Dies kann zu Voreingenommenheit führen, wenn sich die Lichtqualität durch ein Vordach stark verändert, obwohl frühere Schätzungen des resultierenden Fehlers darauf hindeuten, dass es sich auf die Größenordnung von einigen Prozent7 befindet. Drittens können die PARbars nicht unterscheiden zwischen dem direkten Strahl und den diffusen Komponenten der eingehenden PAR über dem Vordach. Wenn diffuse Strahlung tiefer in das Vordach eindringt als die direkteSonneneinstrahlung 14, wird die Übertragung erhöht und PAIeff wird unterschätzt, wenn der diffuse Bruchteil der gesamten Strahlung zunimmt. Wenn alle Strahlung diffus ist, ist PAIeff direkt proportional zum Logarithmus von 1/, und nicht zur Beziehung, die in der Gleichung 115gezeigt wird. Cruse et al. (2015) 16 darauf hingewiesen, dass derzeit verfügbare kommerzielle Instrumente, die direkte und diffuse PAR messen können, teuer sind und eine regelmäßige Wartung erfordern, so dass sie ein einfaches und kostengünstiges Gerät entwickelt haben, um dieses Problem anzugehen. Ihr System besteht aus einem Quantensensor, der routinemäßig von einem motorisierten, sich bewegenden Schattenband beschattet wird und eine kontinuierliche Messung von totaler, direkter und diffuser PAR ermöglicht. Der Sensor, der im Cruse etal verwendet wird. 16 System könnte durch die gleiche Fotodiode ersetzt werden, die in PARbars verwendet wird, um die Kosten weiter zu senken, und kann leicht in das bestehende PARbar-Setup integriert werden. Diese Messungen könnten in die Datenverarbeitungs-Pipeline integriert werden und würden die Zuverlässigkeit der Schätzungen von PAIeffweiter erhöhen.
Der große Vorteil von PARbars im Vergleich zu bestehenden kommerziellen Ceptometern sind ihre niedrigen Kosten, die es möglich machen, sie in großer Zahl zu produzieren. In jüngster Zeit ist das Interesse an neuartigen Hochdurchsatz-Phenotyping-Technologien zur Abschätzung von Vordach-Eigenschaften gewachsen (siehe Yang et al., 201717). Während diese Methoden vielversprechend sind, weil sie riesige Datenmengen produzieren, sind sie in der Regel sehr indirekt und bedürfen der Validierung gegen konventionelle Techniken. PARbars könnten als kostengünstiges, bodenbasiertes Validierungswerkzeug für diese neuen Techniken dienen.
Die niedrigen Produktionskosten von PARbars machen sie auch zu einer praktikablen Option für kontinuierliche Messungen im Feld. Dies könnte aus mehreren Gründen nützlich sein. Mit kontinuierlichen Messungen lassen sich beispielsweise Zeileitungsvorsagen charakterisieren, um zeitspezifische Korrekturfunktionen für augenblickliche Messungen zu entwickeln (weitere Informationen siehe Salter et al. 20187). Die kontinuierliche Ceptometrie kann auch kurze Schwankungen in der Überdachung des Lichts im Laufe der Zeit erfassen (Sonnenflecken und Shadeflecks), die durch Wolken verursacht werden, die über dem Kopf ziehen, Bewegung des Vordachs, etc. Es ist bekannt, dass Photosynthese sehr empfindlich auf kleine Veränderungen der Umweltbedingungen reagiert, und “dynamische” Veränderungen in der Photosynthese werden heute als wichtig für die Antriebserträge der Ernte angesehen (siehe Murchie et al., 201812). Mit einem entsprechend kurzen Holzeinschlag im Feld installierten PARbars könnten diese kurzen Schwankungen erfasst und die Dynamik von Pflanzendachteln besser verstanden werden.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren bedanken sich bei Dr. Richard Richards und Dr. Shek Hossain von CSIRO, Landwirtschaft und Ernährung für den Zugang zu und die Verwaltung der für diese Forschung genutzten Feldgrundstücke. Diese Forschung wurde von der International Wheat Yield Partnership unterstützt, die von der Grains Research and Development Corporation (US00082) bereitgestellt wurde. TNB wurde vom Australian Research Council (DP150103863 und LP130100183) und der National Science Foundation (Award #1557906) unterstützt. Diese Arbeit wurde unterstützt vom USDA National Institute of Food and Agriculture, Hatch Projekte 1016439 und 1001480.
Materials
| 1.5 Ω low temperature coefficient precision resistor | TE Connectivity Ltd., Schaffhausen, Switzerland. | UPW25 series | Could be made using multiple larger resistors in parallel but they need to have low temperature coefficient (i.e. ± 3 ppm/°C). URL for commercial source: https://bit.ly/2DFuPpm |
| Acrylic diffuser | Plastix Australia Pty. Ltd., Arncliffe, NSW, Australia. | 445 – Opal White | 1200 mm length x 30 mm width x 4.5 mm thick. URL for commercial source: https://bit.ly/2Bq0fyc |
| Aluminum U-bar | Capral Ltd., Bundamba, QLD, Australia. | EK9160 | 1220 mm length x 35 mm width x 25 mm depth. URL for commercial source: https://bit.ly/2PPfJou |
| Bare solid core copper wire | Non-specific part | ||
| Bolts | Non-specific part | ||
| Clamps | Non-specific part | ||
| Clear epoxy potting resin | Solid Solutions, East Bentleigh, VIC, Australia. | 651 – Universal Epoxy Potting Resin | Clear epoxy resin for electrical applications. URL for commercial source: https://bit.ly/2qY0pHa |
| Cyanoacrylate glue | Non-specific part | ||
| Datalogger | Campbell Scientific, Logan, Utah, USA. | CR5000 | Other dataloggers that record differential voltages could be used. URL for commercial source: https://bit.ly/2U7Io5H |
| Drill or drill press | Non-specific part | ||
| Glue lined heat shrink | Non-specific part | ||
| Heat gun | Non-specific part | ||
| LED torch | Non-specific part | ||
| Masking tape | Non-specific part | ||
| Photodiodes (50) | Everlight Americas Inc., Carrollton, Texas, USA. | EAALSDSY6444A | It is important that this specific component is used due to spectral response. URL for commercial source: https://bit.ly/2FzVnuH |
| Polyurethane foam filler | Non-specific part | ||
| Quantum sensor | LI-COR, Lincoln, Nebraska, USA. | LI-190R | For calibration of PARbars only. URL for commercial source: https://bit.ly/2HEfKbh |
| Screwdrivers | Non-specific part | ||
| Silicone sealant | Non-specific part | ||
| Solder | Non-specific part | ||
| Solder flux pen | Non-specific part | ||
| Soldering iron | Non-specific part | ||
| Spirit/bubble level | Non-specific part | ||
| Tap and die set | Non-specific part | ||
| Two-core cable | Non-specific part | ||
| Voltmeter | Non-specific part | ||
| Waterproof connectors | Core Electronics, Adamstown, NSW, Australia. | ADA743 | 2 core waterproof connector. DC power connectors work well. URL for commercial source: https://bit.ly/2Brcrik |
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